機(jī)床導(dǎo)軌直線度測(cè)量虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

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[摘要]在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)常受時(shí)間、空間、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等因素的限制，為有效解決該問(wèn)題，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，研究了利用VRML設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)的可行性及其開(kāi)發(fā)流程。針對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌直線度測(cè)量實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)分析了基于VRML的虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⒎椒ê吞摂M裝飾方法，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床導(dǎo)軌直線度測(cè)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬、交互和仿真。同時(shí)，將虛擬實(shí)驗(yàn)運(yùn)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有效地規(guī)避了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的缺陷，取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。

[關(guān)鍵詞]VRML；虛擬實(shí)驗(yàn)；直線度；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

0引言

機(jī)床導(dǎo)軌直線度測(cè)量是大學(xué)機(jī)械類專業(yè)《互換性與測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)》課程的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)，機(jī)床導(dǎo)軌直線度的誤差直接影響被加工零件的質(zhì)量，因此,掌握機(jī)床導(dǎo)軌直線度測(cè)量的原理、方法及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法是十分必要的。但傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室建造成本較高，且實(shí)驗(yàn)時(shí)間、地點(diǎn)相對(duì)固定。于是尋求一種規(guī)避傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺陷、提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法具有重要意義。隨著信息科技的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)日漸成熟，使得虛擬實(shí)驗(yàn)得以實(shí)現(xiàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)是基于Web、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)構(gòu)建的開(kāi)放式、網(wǎng)絡(luò)化、可替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)的教學(xué)平臺(tái)。虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)可使實(shí)驗(yàn)者身臨其境，能極大地提高實(shí)驗(yàn)者的實(shí)驗(yàn)積極性[1]。目前，國(guó)內(nèi)外多數(shù)高校都根據(jù)自身教學(xué)需求建立了虛擬實(shí)驗(yàn)室，但普遍存在虛擬實(shí)驗(yàn)的交互手段有限、沉浸感不強(qiáng)的問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，文中以機(jī)床導(dǎo)軌直線度測(cè)量為對(duì)象，基于VRML建模語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬、仿真和交互，將其運(yùn)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1基于VRML設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)的研究開(kāi)發(fā)

VRML(VirtualRealityModelingLanguage)，即虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言，是一種三維造型和渲染的圖形描述性語(yǔ)言，通過(guò)該語(yǔ)言創(chuàng)建一個(gè)現(xiàn)實(shí)或幻想中的虛擬場(chǎng)景，可在網(wǎng)頁(yè)中實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)畫效果以及基于三維對(duì)象的用戶交互[2]。

1.1基于VRML設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)的可行性研究

1.1.1造型豐富VRML提供了多種幾何節(jié)點(diǎn)、幾何屬性節(jié)點(diǎn)和外觀節(jié)點(diǎn)等，通過(guò)這些節(jié)點(diǎn)可以構(gòu)造出色彩豐富的接近真實(shí)世界的靜態(tài)虛擬環(huán)境。1.1.2動(dòng)態(tài)仿真和交互性VRML通過(guò)環(huán)境傳感器、接觸傳感器、感知傳感器、時(shí)間傳感器、碰撞傳感器和控制動(dòng)畫的插補(bǔ)器等對(duì)三維造型進(jìn)行實(shí)時(shí)交互仿真和渲染。由于VRML仿真和渲染的實(shí)時(shí)性，虛擬場(chǎng)景中人機(jī)可交互，也即瀏覽者不僅可以在場(chǎng)景中隨意漫步切身感受虛擬環(huán)境，而且還可以通過(guò)自己的行為影響虛擬環(huán)境。1.1.3立體視聽(tīng)效果隨著瀏覽者的移動(dòng)，VRML場(chǎng)景中的物體屬性，如光照、方位等也隨之改變，給瀏覽者予立體視覺(jué)感。此外，VRML通過(guò)3D聲音讓人感受周圍環(huán)境的聲音,在Sound節(jié)點(diǎn)中，可以進(jìn)行聲音大小、位置、方向等空間性質(zhì)的設(shè)定，讓聲音的表現(xiàn)有遠(yuǎn)近不同的立體效果。1.1.4腳本功能在VRML中的Script節(jié)點(diǎn)中加入JavaScript或Java程序語(yǔ)言，可進(jìn)行對(duì)象行為的設(shè)定。Java具有Interner環(huán)境下程序設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，VRML具有虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景建模的優(yōu)勢(shì)，兩者結(jié)合可以開(kāi)發(fā)出較為復(fù)雜的、交互性強(qiáng)的虛擬三維系統(tǒng)。1.1.5分布式環(huán)境設(shè)計(jì)及可擴(kuò)充性VRML支持多個(gè)分布式文件的內(nèi)聯(lián)機(jī)制，通過(guò)內(nèi)聯(lián)機(jī)制嵌入其他的.wrl文件，即可將一個(gè)巨大的虛擬環(huán)境進(jìn)行分割設(shè)計(jì)后合并展示。VRML還提供了外部原型引用機(jī)制，允許以超鏈接的方式在本地節(jié)點(diǎn)中指向并組織Interner上的資源，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)充。

1.2基于VRML的虛擬實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)流程

虛擬實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)建主要包括虛擬模型的創(chuàng)建、動(dòng)態(tài)交互的實(shí)現(xiàn)以及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的集成。其中，虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景部分主要是虛擬建模及裝飾，而實(shí)驗(yàn)儀器的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)在于交互的實(shí)現(xiàn)。后續(xù)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)集成是將虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境與Web頁(yè)面及文字、視頻、音頻等多媒體教育資源進(jìn)行有機(jī)整合。鑒于VRML的技術(shù)特點(diǎn)，通過(guò)VRML虛擬建模語(yǔ)言不僅可構(gòu)建逼近于現(xiàn)實(shí)世界的虛擬場(chǎng)景，而且可實(shí)現(xiàn)良好的交互功能，應(yīng)用VRML技術(shù)開(kāi)發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)是一種行之有效的方法。

2機(jī)床導(dǎo)軌直線度測(cè)量虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膭?chuàng)建

2.1虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)象幾何建模

虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)象幾何建模主要包括虛擬機(jī)床、虛擬電子水平測(cè)量?jī)x和虛擬實(shí)驗(yàn)教室的創(chuàng)建，如圖2所示。VRML提供了4種最基本的幾何造型，可直接用來(lái)創(chuàng)建VRML虛擬場(chǎng)景，即立方體、球體、圓柱體、圓錐體和文本。這些幾何造型的幾何尺寸及外觀控制是由Shape節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，一個(gè)Shape節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)域Appearance和Geometry。Appearance域用來(lái)設(shè)定對(duì)象的外觀，通常使用材質(zhì)（Material）或貼圖（Texture）方式來(lái)實(shí)現(xiàn)；Geometry域用來(lái)設(shè)置幾何形體，即Box、Sphere、Cylinder、Cone、Text。在虛擬場(chǎng)景中，通過(guò)設(shè)定Transform的Translation、Rotation和Scale域，可以達(dá)到使其children對(duì)象平移、旋轉(zhuǎn)和縮放。通過(guò)組合這些基本形體，可以得到復(fù)雜的規(guī)則形狀物體。此外，還可以使用PointSet節(jié)點(diǎn)、IndexedLineSet節(jié)點(diǎn)、IndexedFaceSet節(jié)點(diǎn)、ElevationGrid節(jié)點(diǎn)和Extrusion節(jié)點(diǎn)來(lái)創(chuàng)建較為復(fù)雜的虛擬場(chǎng)景造型。創(chuàng)建復(fù)雜的虛擬模型時(shí)通常利用SolidWorks、Pro/E、3dsMax等三維建模軟件輔助建模，然后保存為.wrl格式，通過(guò)VRML編輯器構(gòu)造虛擬場(chǎng)景[3]。

2.2虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景裝飾

虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景裝飾是指對(duì)虛擬幾何模型進(jìn)行材質(zhì)和紋理處理，同時(shí)對(duì)其所處的三維空間進(jìn)行渲染，使虛擬場(chǎng)景逼近真實(shí)世界。2.2.1材質(zhì)處理在現(xiàn)實(shí)世界中，物體由于自身材料的不同，外觀也不盡相同。同樣，在VRML中可以通過(guò)Appearance節(jié)點(diǎn)中的Material節(jié)點(diǎn)來(lái)控制造型的外觀。造型的外觀主要是指造型的顏色、透明度、發(fā)光效果和明暗程度，它們是由Material節(jié)點(diǎn)內(nèi)的DiffuseColor域、AmbientIntensify域、SpecularColor域、EmissiveColor域、Shininess域和Transparency域的域值控制。2.2.2紋理處理通過(guò)材質(zhì)處理后只是對(duì)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行了簡(jiǎn)單的裝飾，對(duì)一些視覺(jué)細(xì)節(jié)并不能表現(xiàn)出來(lái)，這些視覺(jué)細(xì)節(jié)需要通過(guò)紋理來(lái)實(shí)現(xiàn)。紋理是一個(gè)位圖，其并不改變?cè)煨偷膸缀涡螤睿菐Ыo瀏覽者一種視覺(jué)效果。這種視覺(jué)效果通過(guò)紋理圖根據(jù)幾何體的外形，按一定規(guī)則映射到物體的表面。使用紋理能使虛擬物體更具真實(shí)感，提高渲染效果，同時(shí)也避免了對(duì)某些細(xì)節(jié)進(jìn)行復(fù)雜造型。VRML提供了3種紋理節(jié)點(diǎn)，即ImageTexture節(jié)點(diǎn)、PixelTexture節(jié)點(diǎn)和MovieTexture節(jié)點(diǎn)。在進(jìn)行紋理處理時(shí)通常還需要使用TextureTransform節(jié)點(diǎn)對(duì)圖像進(jìn)行平移、縮放和旋轉(zhuǎn)變換，以提高渲染質(zhì)量。機(jī)床導(dǎo)軌直線度測(cè)量虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景紋理處理包括虛擬實(shí)驗(yàn)室的天花板、地板、墻壁、黑板、墻壁掛圖和實(shí)驗(yàn)裝置等。對(duì)幾何體進(jìn)行圖像紋理處理時(shí)，幾何體的每個(gè)面都映射上了紋理圖，但對(duì)墻壁掛圖進(jìn)行紋理處理時(shí)，僅使虛擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)墻壁出現(xiàn)掛圖效果。為了解決這一問(wèn)題，在內(nèi)墻壁表面創(chuàng)建一個(gè)近似于平面的Box，然后對(duì)這個(gè)Box進(jìn)行圖像紋理處理。2.2.3空間渲染VRML不僅可以對(duì)造型進(jìn)行裝飾，還可對(duì)造型所處的三維空間進(jìn)行渲染，即室外裝飾。在VRML中，這些場(chǎng)景是以由天空和地面構(gòu)成的空間背景的形式呈現(xiàn)的，而這個(gè)空間背景是通過(guò)Backgroud節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建的。天空和地面需要著色的位置及顏色，是通過(guò)Backgroud節(jié)點(diǎn)內(nèi)SkyAngle、skyColor和GroundAngle、GroundColor域的域值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

3虛擬實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)交互的實(shí)現(xiàn)

在VRML中動(dòng)畫是通過(guò)使某一特定域的域值隨時(shí)間變化而變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的，要改變某一域的域值須指定事件的路由，以觸發(fā)該域值變化[4]。VRML提供了多種控制動(dòng)畫的插補(bǔ)器和實(shí)現(xiàn)交互的傳感器，如位置插補(bǔ)器（PositionInterpolator）、旋轉(zhuǎn)插補(bǔ)器（OrientationInterpolator）、顏色插補(bǔ)器（ColorInterpolator）、時(shí)間傳感器（TimeSensor）、接觸傳感器（TouchSensor）、視覺(jué)傳感器（VisibilitySensor）等，VRML中典型的交互機(jī)制如圖4所示。機(jī)床導(dǎo)軌直線度測(cè)量虛擬實(shí)驗(yàn),主要涉及電子水平儀對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌的測(cè)量過(guò)程動(dòng)畫仿真及交互和虛擬教室大門對(duì)人的感應(yīng)。

3.1電子水平儀對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌的測(cè)量過(guò)程動(dòng)畫仿真及交互

機(jī)床導(dǎo)軌直線度的檢測(cè)是通過(guò)電子水平儀在機(jī)床導(dǎo)軌上作等距離移動(dòng)[5]，從而讀取電子水平儀的顯示屏示數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電子水平儀在導(dǎo)軌上的移動(dòng)可以通過(guò)位置插補(bǔ)器（PositionInterpolator）實(shí)現(xiàn)，PositionInterpolator節(jié)點(diǎn)用來(lái)描述一系列電子水平儀不同時(shí)刻在機(jī)床導(dǎo)軌上的位置，該節(jié)點(diǎn)內(nèi)含Key和KeyValue兩個(gè)域值。通過(guò)接觸傳感器（TouchSensor）實(shí)現(xiàn)電子水平儀移動(dòng)動(dòng)作的觸發(fā)。實(shí)現(xiàn)電子水平儀示數(shù)的實(shí)時(shí)顯示是機(jī)床導(dǎo)軌直線度測(cè)量虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，一般通過(guò)VRML提供的Script節(jié)點(diǎn)寫入腳本語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，常用的腳本語(yǔ)言有JavaScript和Java,這一方法可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)畫仿真及交互，但須一定JavaScript或Java編程基礎(chǔ)。文中提供一種不需要JavaScript或Java編程就能實(shí)現(xiàn)電子水平儀顯示屏示數(shù)實(shí)時(shí)顯現(xiàn)的方法。顯示屏上每個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字均可以看成是由7個(gè)Box構(gòu)成的8字型。通過(guò)ColorInterpolator節(jié)點(diǎn)控制這7個(gè)Box在不同時(shí)刻的外觀顯示狀態(tài)，可組合出不同的阿拉伯?dāng)?shù)字。當(dāng)事件入口set_fraction接收到一個(gè)時(shí)刻值時(shí)，ColorInterpolator節(jié)點(diǎn)就計(jì)算出一個(gè)RGB色彩值，并通過(guò)value_changed事件出口輸出該RGB色彩值。在對(duì)這7個(gè)Box造型時(shí)，將8字中間的橫條Box的外觀設(shè)置成淺灰色（diffuseColor0.60.60.6），即與顯示屏背景同色，其余Box的外觀顏色均設(shè)置成黑色，即黑色為顯示狀態(tài)，淺灰色為非顯示狀態(tài)。電子水平儀顯示屏共有3位數(shù)字1個(gè)正負(fù)符號(hào)，通過(guò)這些Box的外觀組合呈現(xiàn)不同的示數(shù)。

3.2虛擬教室大門對(duì)人的感應(yīng)

虛擬實(shí)驗(yàn)教室大門采用水平移動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)大門的開(kāi)啟和關(guān)閉。當(dāng)輸入密碼或刷卡后，兩扇大門分別自動(dòng)向左右水平移動(dòng)，即開(kāi)啟大門，若干秒后大門檢測(cè)到無(wú)人進(jìn)出時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉。利用TouchSensor節(jié)點(diǎn)仿真輸入密碼或刷卡動(dòng)作，通過(guò)位置插補(bǔ)器實(shí)現(xiàn)大門的水平移動(dòng)，ProximitySensor節(jié)點(diǎn)用來(lái)感知實(shí)驗(yàn)者何時(shí)進(jìn)入、離開(kāi)和移動(dòng)于坐標(biāo)系內(nèi)的一個(gè)長(zhǎng)方體區(qū)域。

4VRML場(chǎng)景優(yōu)化及系統(tǒng)平臺(tái)集成

4.1VRML場(chǎng)景優(yōu)化

VRML場(chǎng)景優(yōu)化的目的是減小場(chǎng)景大小和加快場(chǎng)景在用戶端執(zhí)行的速度，VRML場(chǎng)景優(yōu)化主要是通過(guò)減小VRML文件大小和提高執(zhí)行性能來(lái)完成。減少文件大小的主要方法有使用貼圖代替建模，利用DEF、USE的組合避免相同對(duì)象代碼重復(fù)和通過(guò)VRMLPad2.0自帶的壓縮功能壓縮文件。提高執(zhí)行能力的方法是使用細(xì)節(jié)層次（LevelofDetail，LOD），可依據(jù)瀏覽者視點(diǎn)的遠(yuǎn)近顯示不同復(fù)雜度的場(chǎng)景；另外，在渲染時(shí)場(chǎng)景要計(jì)算光線路徑，因此過(guò)多的光源將增加CPU計(jì)算時(shí)間，即應(yīng)當(dāng)減少光源的使用，一般一個(gè)VRML文件不應(yīng)超過(guò)3個(gè)光源[6]。

4.2系統(tǒng)平臺(tái)的集成

創(chuàng)建好VRML虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境后，需要將虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境與Web頁(yè)面及文字、音頻、視頻等多媒體教育資源有機(jī)整合，最終創(chuàng)建了一個(gè)生動(dòng)直觀、具交互性能的三維虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。通過(guò)VRML插件與JavaScript接口連接，把虛擬實(shí)驗(yàn)在Web服務(wù)器上，實(shí)驗(yàn)者只需聯(lián)入Internet即可進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。VRML可以合并到網(wǎng)頁(yè)中，瀏覽器為一個(gè)VRML文件單獨(dú)打開(kāi)一個(gè)窗口，通過(guò)embed或object標(biāo)簽在HTML文件中以使用插件的方式插入VRML文件[7]。

5結(jié)語(yǔ)

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐表明，虛擬實(shí)驗(yàn)不僅使學(xué)生掌握了實(shí)驗(yàn)原理、方法，而且提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)主動(dòng)性，取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，基于VRML的虛擬實(shí)驗(yàn)還具有交互功能強(qiáng)、低成本、突破時(shí)空、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)文中設(shè)計(jì)的機(jī)床導(dǎo)軌直線度測(cè)量虛擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)者可以在線對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)、提出建議、分享實(shí)驗(yàn)感受等，對(duì)于改進(jìn)和完善虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有重要意義，極大的提高了實(shí)驗(yàn)效率。

參考文獻(xiàn)

[1]宋淑彩,祁愛(ài)華,岳杰.基于VRML的虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J].數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí),2012,42(16):132-137.

[2]賽博科技工作室.VRML與Java編程技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2002.

[3]許楨英,聞武,王勻,殷蘇民.基于VRML海工平臺(tái)虛擬裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦技術(shù),2013,32(4):168-170.

[4]張武軍,田海,尹旭日.VRML虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)與實(shí)踐教程[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2013.

[5]陳嵐.電子水平儀測(cè)量機(jī)床導(dǎo)軌直線度的方法[J].化學(xué)工程與裝備,2010(9):147-148.

[6]孫俊峰.基于VRML的虛擬實(shí)驗(yàn)研究與實(shí)現(xiàn)[D].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué),2005.

[7]朱婷婷.基于VRML的虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與研究[D].成都：四川師范大學(xué),2009.

作者：姚家勝 張永亮 杜寶江 單位：上海理工大學(xué)